基于智慧城市的可持续城市空间发展模型总体架构

基于智慧城市的可持续城市空间

发展模型总体架构

曹阳，甄峰

(南京大学建筑与城市规划学院，南京210093)

摘要：在智慧城市建设上升为国家战略的大背景下，以城市人口、经济、资源、环境等历史数据分析为基础的传统城市空间发展模型面临着数据来源与研究框架的革新。本文首先阐述了智慧城市与可持续发展理念产生的时代背景、概念内涵、相互关系，进而在梳理国内外可持续发展视角下的城市模型相关研究基础上，认为智慧城市建设为城市模型研究提供了更为精细、实时、全面的数据来源，拓宽了城市模型研究的时空尺度，并在城市系统运行模拟与仿真方面提供新的技术手段。本文从城市数据监测采集与互联共享、城市系统运行问题梳理与综合分析、城市空间发展模拟仿真与决策评估、城市空间发展规划体系4个层面尝试构建基于智慧城市的可持续城市空间发展模型总体架构，对于丰富城市可持续发展研究理论框架，指导智慧城市空间规划与建设实践具有重要意义。关键词：信息技术；智慧城市；可持续发展；空间发展模型；大数据

1引言

城市是一个集约人口、科技、经济、文化的复杂空间地域系统，其特征主要表现在对土地资源的开发利用和对经济效益的集聚作用上，它的集约性、活跃性及先导性决定了可持续发展将是城市发展的重点(沈丽珍,2000)。1987年，联合国环境与发展委员会在《我们共同的未来》一书中提出了可持续发展(Sustainable Development)的概念(WCED,1987)。此后，学者们从资源角度(Onishi,1994;Wal-ter,1994)、环境角度(Haughton,1994;Tjallingii,1995)、经济角度(Nijkamp,1994)、社会角度(Yifta-chel,1993)对其内涵进行了深入的讨论。近年来，国外学者对城市可持续发展的概念已逐步达成共识，即在快速城市化的大背景下(Castells,1972,1982)，系统性地统筹考虑城市环境、经济、社会3个层面的各项要素，提出一种可行的、粗粒度的空间规划与土地使用政策(Kasioumi,2011)，以应对复杂

城市问题带来的挑战(Hakkinen et al,2011)。国内学者(马武定,2000;孟峰,2000;张敬淦,2000)在此基础上进一步强调了城市的可持续发展必须是以人为中心，其目标是满足人的基本需要和提高人的生存质量。受制于数据获取与处理能力的不足，早期的可持续发展研究大多依赖静态历史统计数据从对单一要素发展情况进行评价分析，缺乏从城市空间发展的角度对各要素发展情况进行实时动态反映与统筹协调。

信息技术的进步加速了知识、技术、人才、资金等的时空交换，改变着区域和城市的空间格局(秦萧等,2013)，也为城市可持续发展研究提供了新的视角。继2000年美国提出“精明增长”(Smart Growth)概念之后，IBM 于2008年提出了“智慧城市”这一理念，认为智慧城市意味着更透彻的感知、更全面的互联互通与更深入的智能化，进而引发了智慧城市建设的热潮。智慧城市是城市发展的高级形态，其本质是充分利用新一代信息通信技术

收稿日期：2015-04；修订日期：2015-04。

基金项目：国家自然科学基金项目(40971094)；教育部新世纪优秀人才支持计划项目。

作者简介：曹阳(1989-)，男，江苏南京人，博士研究生，主要从事规划信息化与城市定量模型研究，E-mail:834154997@ 。通讯作者：甄峰(1973-)，男，陕西汉中人，教授，博士生导师，主要从事信息地理与智慧城市研究，E-mail:zhenfeng@

。

430-437页

第34卷第4期2015年4月

地理科学进展

Progress in Geography

V ol.34,No.4Apr.2015

第4期曹阳等：基于智慧城市的可持续城市空间发展模型总体架构

(Information and Communication Technologies,ICT)来解决城市出现的各类问题，从而提升城市发展质量(秦萧,2014)。智慧城市的建设是信息化、城市化不断向纵深发展的一个综合性表现，究其本质来说，不管是智慧城市建设还是新型城镇化建设，其最终目标都是为了实现城市的可持续发展。

2014年，中共中央、国务院印发了《国家新型城镇化规划(2014-2020年)》，明确强调将智慧城市作为提高城市可持续发展能力的重要手段与途径，需要通过智慧城市的建设从经济、社会、管理、技术、空间等不同角度来实现城市的可持续发展。那么如何理解这一发展理念，笔者认为，一要借助新一代信息与通信技术，通过建设城市地区数据和信息共享平台，保障城市地区数据和信息互联共享，促进城市的可持续协同发展；二要借助城市传感器对城市空间运行状况进行动态监测、预警和管理，提高城市空间运行效率；三要通过智慧城市应急处理平台，对城市突发问题及时分析解决，维护城市系统的健康高效运转；四要通过智慧空间规划实现城市要素的优化配置与城市空间的合理布局，促进土地集约节约使用，提高资源利用效率，实现城市空间的可持续发展。基于上述思考，通过梳理可持续发展视角下传统城市模型的研究现状及问题，找寻智慧城市建设与城市可持续发展研究的契合点，试图梳理出一条基于智慧城市的可持续城市空间发展研究新思路，对于丰富城市可持续发展研究理论框架，指导以可持续发展为最终目标的智慧城市空间规划与建设实践具有重要意义。

2可持续发展视角下城市模型研究进展

城市模型是在对组成城市整体的各要素(人口、经济、资源、环境等)组织结构与运行机理深度分析的基础上，采用数学建模的方法对城市系统进行抽象与概化，是理解城市空间现象变化、对城市系统进行科学管理和规划的重要工具。有关城市模型的研究主要经历了一般概念模型、数学(或分析)模型和计算机模拟模型等几个阶段(龙瀛等, 2014)。已有的城市模型大多是从解决城市某项具体问题的角度去研究建构，而在可持续发展这一目标下，需要系统地考虑城市问题的综合应对与城市各要素的协调发展(Birkeland,2012)，更加注重对城市模型间关系的梳理与有机合成。2.1传统城市发展模型研究现状

在城市空间可持续发展模型方面，早期的研究将其归类为复杂的社会经济模型，通过建立数学模型描述各要素之间关系(苏懋康,1991)。近年来，学者们分别基于决策支持系统开发模式(阮建军等, 2000)、耗散结构理论(方创琳,2000)、系统动力学方法(孙希华等,1996;施国洪等,2001)以及非线性多目标模型(魏一鸣等,2002)等新方法对城市可持续模型的构建进行了尝试，模型分析结果用于对城市发展提供模拟预测与政策建议，取得了良好的效果。总的来说，虽然模型的研究方法不断革新，但由于模型数据多采用静态的城市经济、环境、人口等历史统计数据，数据类型不够丰富，难以将更多类型的城市要素统筹纳入到模型中加以考虑；同时，现有数据更新周期较长，难以满足可持续发展对城市运行趋势与空间优化调控效果的实时动态预测的需求。

与可持续发展模型相似，城市空间增长模型作为空间—时间模型(Space-time Model)中的一类，也用于解释城市空间要素之间内部相互作用规律与外部形态特征，同样强调其对城市空间各要素运行情况的实时分析与动态模拟。陈睿等(2007)根据建模所依据的主要空间增长理论以及是否考虑时间因素的作用，将城市空间增长模型划分为：①城市空间增长影响因素分析模型。该类模型分析结果可作为规划决策定性分析的理论支撑(Cheng et al, 2003)；②城市空间增长准动态模型。该类模型由于未考虑时间因素，虽然可以对城市未来发展提供一定预测，但并不具有过程模拟的能力(Weber, 2003)；③城市空间增长动态模型。该类模型根据其建模方法的不同，可细分为基于系统动力学的城市增长模型(Schweitzer,1998)和基于微观主体作用演变机制的城市增长模型(Wu,1996;周成虎等, 1999)。近年来，在理想模型无法深度解释某些城市具体问题的情况下，随着复杂系统理论的深入研究与应用，基于现代复杂系统科学以及空间经济学理论建立的城市空间增长模型，是对城市空间增长研究的最新探索。

随着信息技术的深入应用，大数据挖掘分析技术的不断革新，空间可视化手段的越发多样，城市空间增长模型的发展也面临着从宏观整体模型(Aggregate Model)向微观离散模型(Dis-aggregate Model)、二维静态表达向三维实时动态模拟、简单

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